“厚”此“薄”彼的银河系

□ 编译/ 谢 懿

“厚”此“薄”彼的银河系

□ 编译/ 谢 懿

研究银河系垂直结构，天文学家正在梳理我们所在的这个星系是如何演化的。

2微米全天巡视揭示出了银河系从侧向看的样子。图像中可以清晰地看到包含银河系中绝大多数气体和尘埃的薄盘以及厚盘和中央核球。此外，还能在右下角看到银河系的2个卫星系：大、小麦哲伦云。版权：2MASS/IPAC/CALTECH。

沉浸在银河淡淡的光辉之下，让人很难认识到地球其实只是这个宇宙中最大的旋涡星系之一里面极其微小的一部分，而时至今日天文学家才开始对我们所在的这个星系有了全面的了解。通常，我们在教科书或者书刊杂志上所看到的都是有着宏象旋涡结构的银河系正面图。然后，为了真正了解它到底是如何形成和演化的，你需要了解唯有从侧向才能直接看到的银河系垂直结构。

这无疑是很难做到的，因为我们的太阳系就像一个被咬钩的鱼漂，会在银河系的薄盘中上下振动。幸运的是，我们距离银河系中心足够远，可以看到北银极和南银极，还可以看到银河系垂直结构外边缘的深处。

宇宙微波背景辐射的影像可以帮助我们。美国宇航局的宇宙背景探测卫星首次详细地勘测了这些辐射，而美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器和欧洲空间局的普朗克卫星则做得更加出色。它们所观测到的银河系前景尘埃图像给了天文学家们相当不错的银河系侧向视角。

那么，从侧向上看去，类似于银河系的星系会是什么样子呢？就目前所知，你看到的绝大部分会是一个由恒星所组成的薄盘。

在过去的十年中，斯隆数字巡天（SDSS）一直是研究银河系垂直结构演化的主要观测工具。但是，为了测量这一结构是如何随着时间而演化的，天文学家还必须要能测量出遥远恒星的年龄、化学成分和运动情况。

有了类似SDSS这样全面的地面大视场巡天项目，天文学家已不得不修改他们的理论架构，以此来应对更为复杂得多的银盘结构。这反过来也迫使理论家们来完善天文学家沃尔特·巴德（Walter Baade）于1944年所提出的经典观点，即从广义上讲银河系是由2类恒星组成：星族Ⅰ和星族Ⅱ。星族Ⅰ恒星位于银盘中，那里也是太阳所在的地方，它们都比较年轻且富含金属——在天文学中，把比氢和氦更重的所有元素统称为金属。星族Ⅱ是更为年老的贫金属恒星，通常位于银河系的晕中。

从远处正向看去，银河系可能和照片中的星系UGC 12518十分相似。这个棒旋星系直径140 000光年，位于飞马座中，距离我们约4亿光年。版权：ESA/HUBBLE/NASA。

然而，就在整个银河系天文学界为欧洲空间局的“盖亚”卫星释放其第一批数据而兴奋不已时，有一件事情是可以肯定的——目前的银河系垂直结构模型将会变得更加复杂。通过跟踪不同类型恒星在垂直结构上的差异，理论家可以从原则上勾勒出银河系随着时间必须该如何演化。

银河系中绝大部分的恒星要么位于银盘中，要么位于核球中，和它们形成时的情况保持一致。太阳目前仍在其出生时所在的同一条近圆轨道上绕银河系中心转动。

三盘鼎立

如天文学家所观测到的，在可见光波段上，一个由年轻恒星形成区、尘埃和气体所组成的薄盘占据了银河系的主导。正是这个厚度仅约300光年的年轻薄盘包含了所有会诞出新生恒星的分子云。

在这个薄盘的中心有一个占据主导地位的棒状结构，从这个棒的端点延伸出了3或4条旋臂。不过，包括太阳在内，银河系中的大多数恒星则位于一个更为年老的薄盘上，它的厚度约为1 000光年。

这是一个难题。因为星系形成的标准模型认为，在银河系的幼年时期其他星系与银河系的并合过程应该会破坏这个薄盘。然而，所有的大型旋涡星系似乎都拥有稍厚的年老薄盘，所以关于这个问题天文学家还有很多需要研究的内容。

银河系的厚盘约有3 000光年厚，包含有比薄盘中更年老以及重元素丰度更低的恒星。在它的中心是人马A*，一个目前基本上处于宁静态的超大质量黑洞，但在银河系历史的早期它很有可能是一个活动星系核。

银河系已经开启了对大麦哲伦云的瓦解和吸积过程。事实上，银河系正是通过吞食与大麦哲伦云类似的小型星系来生长和演化的。版权：C. SMITH/S. POINTS/THE MCELS TEAM/NOAO/AURA/NSF。

最后，整个银河系的内部区域为银晕所包裹。银晕不具有自转，但却拥有银河系中最古老、最贫金属的恒星。在银河系的外晕中含有约100个小型卫星星系，包括南天的大、小麦哲伦云和正在被银河系的潮汐力瓦解的其他星系。

在所有这一切银河系结构之外的是一个巨大的暗物质晕。暗物质仍是一种神秘的物质形式，它们只通过引力与其他物质发生相互作用。除了它的引力作用之外，这个近似球形的暗物质晕无迹可寻。它的直径约为600 000光年，是可见银河系直径的4倍，质量达太阳的1万亿倍。

构建一个星系

所有这些结构是如何形成的？有关银河系形成的第一个现代理论可以追溯到1962年由奥林·埃根（Olin Eggen）、戴维·林登-贝尔（David Lynden-Bell）和阿兰·桑德奇（Allan Sandage）所发表的一篇论文。他们提出了一个模型，认为银河系始于一团巨大的原星系气体，后者冷却进而形成恒星。几十年后，这个想法开始遇到了问题。这个模型无法解释与太阳反向绕银心转动的恒星。在一团一切都以同一方向转动的坍缩气体云中，要如何才能形成这样的一颗逆行恒星呢？

做不到。天文学家现在认为，银河系是通过等级式地与矮星系、暗物质纤维结构和暗物质晕不断并合而形成的。在本星系群中存在的原初气体云可能彼此间就存在着吸积和并合的过程。这意味着银河系是自内而外形成的。随着银河系吸积的物质越来越多，银盘也会向外生长。但是，如果这个等级式模型是正确的，那么银河系应该仍然在吸积大量的微小卫星星系——至少要比现在所观测到的要多。所以，等级式模型是否也存在根本性的问题呢？

事实上，早期星系的形状并不规则，正在吸积小型星系和暗物质，这些暗物质中有一些来自于原星系，有的则是沿着暗物质纤维结构流入进来的。这个过程很快就会形成早期的晕族恒星，不久之后还会形成一个巨大的拥有大量气体和恒星形成的盘。

约100亿年前，一个质量与大麦哲伦云相当的卫星星系一头栽入了银河系中，造就了银河系的厚盘。恒星形成区域随后安定下来，形成一个厚约300光年的巨大薄盘。之后，始于约80亿年前，随着恒星向外扩散，这个盘开始“发福”，厚度达到了约1 000光年。

10亿年之后，厚盘停止生长。在这个盘中迅速地形成了旋涡结构，多条旋臂出现了然后又消亡，内部的棒结构也在生长并且在垂直方向发生弯曲。

不断增厚

不过，由于下落的物质在不断地影响银河系，因此更好地了解银河系和附近环境的相互作用就显得至关重要。事实上，矮星系和高速云正在不间断地掉入银晕中。这些仍然在被吸积的天体中包含有矮星系（例如，人马矮椭球星系）、暗物质云以及普通的气体云。

暗物质晕率先形成，然后气体会被聚集到其中，冷却形成气体盘。这个气体盘的某些部分会变得不稳定，坍缩并最终形成新的恒星。这个气体盘可能形成于100亿～120亿年前，时至今日仍在产星。

这与观测到的恒星形成时间相一致。大多数恒星都位于薄盘中，而薄盘则嵌在厚盘内。但厚盘中的恒星相对于银河系平面有着较大的高度，它们的年龄都达到了80亿～90亿年。

通过与旋臂中物质或者与大质量分子云——它也是恒星诞生的地方——交会，恒星会被朝不同方向散射。其结果是，恒星的分布会变得越来越杂乱无章。

于是，垂直结构演化的图像是这样的：年龄为100亿年的恒星都诞生于一个厚的气体层中。随着时间，这个气体逐渐变薄，新生的恒星也由此分布在厚度越来越小的薄层中，直到今天我们所见的气体层已经非常薄了。

在银河系、仙女星系以及其他近邻的大质量星系的晕中都已经发现了星流。它们起源自被瓦解的矮星系或球状星团，为星系的等级式形成提供了坚实的证据。根据星流的轨道可以限制银河系引力势的形状。利用斯隆数字巡天的数据，天文学家绘制出了南天和北天可见的星流。版权：SDSS DR8/Bonaca, Giguere, Geha。

但是，目前来自卫星星系的恒星物质和气体流入量加起来也并不多。厚盘的质量占银河系总质量的十分之一，掉落进银河系的卫星星系会被撕扯出星流，但与厚盘的总质量相比，把它们都加起来也没多少。

人马矮椭球星系就是一个很好的例子。该星系中的恒星形成过程贯穿其一生，但在30亿年之前它才开始在银河系的潮汐力下被撕扯开。年老星流已经被拉扯得很开也很稀薄，因此无法观测到。

为了精调模型，天文学家们需要恒星的多维数据，由此不仅能够知道恒星精确的3维位置和运动，而且还能了解它们的化学成分。这些信息必须要能覆盖遍布于银河系盘和旋臂中的恒星。只有有了这些观测数据，才能确定银河系的结构是如何随着时间生长和演化的。

恒星的化学标记不仅能告诉你恒星所在的位置，还能告诉你它和其他哪些恒星有关联以及它们是如何运动的，又正在去向哪里。天文学家的目标是根据多维数据——包括恒星大气中不同元素的相对丰度——来搞清楚这些恒星来自何处。

探测旋涡结构

半人马ω是一个大质量的球状星团，它很有可能是在很久以前被银河系所瓦解的一个矮星系所残留下的核心。版权：ESO/INAF-VST/OMEGACAM。

事实上，由于我们身处一条旋臂之中，因此从这个视角去追踪银河系的旋涡结构是一个无比艰巨的任务。不过，最近天文学家取得了突破性的进展。利用美国宇航局大视场红外巡天探测器的数据，天文学家跟踪了约400个内埋星团。其中大部分位于英仙旋臂中，距离银河系中心约30 000光年。

由于大多数新发现的星团都是内埋星团，它们还没有足够的时间运动到远离其出生地的地方，因此用它们可以来示踪银河系的旋臂。有关的分析结果支持了银河系有4条旋臂的结构。

让天文学家大吃一惊的是，他们在高银纬区发现了2个内埋星团，那里曾被认为是不会形成恒星的。也许，那里吸积了超过预期的产星物质。

虽然空间观测正在不断开拓和分析银河系中更暗弱也更遥远的区域，但理论天文学家仍然依靠地面望远镜所获得的数据来历练他们自己不断发展的银河系模型。

事实上，目前正在进行中的阿帕奇天文台星系演化实验（APOGEE）巡天是唯一一个能获得近红外光谱的综合巡天。该巡天始于2011年春，使用位于美国新墨西哥州的2.5米大视场斯隆望远镜。它的高分辨率摄谱仪可以为天文学家提供每颗目标恒星的化学元素丰度信息。这些数据将会为银河系中心棒和旋臂的演化以及银河系中恒星形成和化学增丰的历史提供更多的线索。

在这幅红外图像的中部，可以看到一个贯穿其间的黑色纤维状星云。这个稠密的分子云整个都位于银河系年轻的薄盘中。版权：NASA/ JPL-CALTECH/SSC。

从2016年起，位于南半球智利的一架2.5米望远镜也会加入这一巡天。有了它的一臂之力，到2020年时该项目将观测约50 000颗恒星。

APOGEE会测量出单颗恒星的年龄，由此可以直接反映出随着时间恒星的垂直分布是如何变化的。于是，天文学家可以了解在靠近和远离银河系中心的地方结构是如何改变的。APOGEE的第一批测量结果显示，许多年龄不足80亿年的恒星并没有一个固定的厚度，但到银心的距离越远，它们就分布得越厚。这是一个信号，暗示恒星到银心的距离并非一成不变，只要时间充足，它们会迁移到更遥远的距离上。

在进行观测之前几个月，为了与APOGEE巡天所观测天区中300颗恒星的相对位置精确相匹配，天文学家会在9块宽1米的铝板上钻出光纤插孔，每一根光纤都会把星光导入到摄谱仪中。它每次观测所能覆盖的天区与6个满月的直径相当。

根据这些观测结果，APOGEE团队制作出了迄今第一张大尺度的恒星相对化学丰度图，覆盖了南北两侧以及从银河系中部到银盘边缘的广大区域。

寻找更多数据

正在6个维度——3维位置和3维速度——上对银河系进行巡天的“盖亚”卫星将会提供超过10亿颗恒星的直接距离。这些观测将使得天文学家更好地了解银河系的暗物质成分，进而也更进一步地认识它的形成和演化历史。2016年9月中旬，“盖亚”发布了其首批有关恒星位置、距离和运动的数据，因此有关银河系结构的新结果预期应该会很快问世。

即便如此，正在进行的地面巡天也会不断地带来惊喜。最近，澳大利亚国立大学的天空勘探望远镜在核球中发现了银河系中已知最年老的星族Ⅱ恒星。形成于宇宙大爆炸之后仅3亿年，即有着超过130亿年的年龄，这些恒星出现的时间比银河系本身还早。它们所含的金属极少，只含有更早的一颗超新星所带来的重元素。尤其是其中的一颗恒星，观测发现它不含有碳，其铁的丰度还不足太阳的1/10000。

这些恒星都是质量约为0.8个太阳质量的红巨星。红巨星——在其核心处氢不再聚变成氦，因此急剧膨胀——十分明亮，因此可以作为完美的目标，即使距离非常遥远，可以看到它们。天文学家认为，这些贫金属星族Ⅱ恒星是形成于宇宙中第一代恒星——星族Ⅲ恒星——所抛射出的气体。理论模型表明，当这些星族Ⅲ恒星发生超新星爆炸时，它们正身处最大的原星系云之一。

在天文学家所观测的14 000颗恒星中，有约500颗是贫金属且有可能极其古老。在这其中有23颗恒星最为年老，年龄超过了135亿年。

长寿确实是银河系的一个标志。毕竟，天文学家预计，一些低质量的红矮星可以再活一万亿年。但是，这并不意味着银河系的结构在它们今后漫长的岁月中会保持不变。

最大的变数将会是约40亿年之后银河系与另一个大型旋涡星系——仙女星系（M31）——的碰撞。然而，远在这两个庞然大物开始并合之前，引力就会破坏掉它们目前的旋涡结构。

尽管如此，在21世纪初的这一时间点上，我们的银河系就其质量和分类而言仍合乎正常的范畴。不过，出于某些原因，M31似乎有着比银河系更为剧烈的并合历史。因此，在可预见的未来，我们的银河系将依然是高分辨率星系数据的最重要来源。在认识星系形成和演化的过程中，它将继续扮演典范的角色。

（责任编辑 张长喜）